CN100582933C - 加温闪光两用纳米压印装置 - Google Patents

Abstract

加温闪光两用纳米压印装置，由双路CCD对准系统、Z向校正器、紫光照明系统、左右侧板、油压顶系统、承片加热台、倾斜校准机构和控制系统等组成，主机大底板位于电气控制系统的机台柜上，并安装了左右侧板和后板及上面安装了横板构成框架，在横板的下面悬挂有Z向校正机构和装有压模的倾斜校准机构，在主机大底板的中间正对压模的位置装了油压顶系统，使安于上面的XYθ微动工件台、承片加热台和基片上升压紧压模而压印出纳米图形结构，装于横板上的紫光照明系统可对压印层聚合物进行紫光照射使其固化，同时承片吸板可被加热升温和降温，使聚合物固化脱模，从而可实现闪光压印和加温大面积压印。本发明发挥出了两种压印方法的优点，以利于推广应用。

Description

加温闪光两用纳米压印装置

技术领域

本发明是一种加温闪光两用纳米压印装置，属于微细加工技术制作纳米图形结构器件领域。

背景技术

由于高科技信息技术的高速发展需要，迫切要求微细加工技术制作出超高速、超高频纳米量级IC器件，而制作纳米图形结构需要大幅度提高现有光刻的分辨率。一般都采用缩短波长光刻制作的方法，例如：深紫外光刻、极紫外光刻、X射线光刻、离子束投影光刻、以及电子束光刻等。它们都需要极短波长光源电磁辐射系统及光学系统，不仅在技术上复杂，而且投资十分昂贵。

目前国际上出现了操作简便、分辨率高、能大批量制作纳米图形结构的新技术。该技术就是从通常的软刻印技术发展起来的，是使用具有纳米图案结构的弹性印章将自组装单分子膜印制到基片上，由于印章是有弹性的，在大面积基片上制作纳米图形时图形各部位的均匀性和重复性将出现较大的误差，难以适用于多层结构的制作。在改进这软刻印技术后出现了采用刚性印章(也即压模)的硬压印技术，在基片的聚合物薄膜上压出纳米级图形。刚性压模压印技术可分两种：热压雕板压印和步进闪光压印。两者各有优缺点，前者可进行大面积压印，但要加高温，并加高压，同时又要降温到聚合物的玻璃态温度以下等；后者不能进行大面积压印，但不要加高温和加高压，避免了前者的不足，可进行分步重复压印，部分弥补不能进行大面积压印的不足，尽管都已有装置，但还需作改进，进一步完善设备，以利于推广应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种加温闪光两用纳米压印装置，既可以加温进行大面积压印，也可以不加温进行闪光压印，发挥各自方法的优点，以利于推广应用。

本发明的技术解决方案是：加温闪光两用纳米压印装置，其特点在于：它由双路CCD对准系统、横板、Z向校正器、紫光照明系统、主机大底板、油压顶系统、承片加热台、倾斜校准机构和控制系统组成，主机大底板安于内放控制系统的机台柜上，在主机大底板的左右侧及后侧上安装了左右侧板和后板，再在它们的上面又安装横板，构成牢固的框架；在左右侧板中间安装了油压顶系统，用于使位于油压顶系统的上面的XYθ微动工件台上面的基片上升压紧压模而压印纳米结构图形；在油压顶系统的左右两侧安装了Z向直线导轨机构，用于油压顶系统的上下导向；在油压顶系统的上面安装了XYθ微动工件台，用于基片的移动和对准的调整，在XYθ微动工件台的上面还安装了承片加热台，在它的承片吸板上可吸附基片，当基片需要升温时，承片吸板可被加热升温同时也可以降温使基片也升降温，从而使聚合物固化脱模；在横板的下面和基片的正上方悬挂装有倾斜校准机构和Z向校正机构，可校准压模和基片压印时它们之间的不平行，以及Z向压印偏差，在倾斜校准机构的下面安有压模，压模与基片之间的压印密闭区可抽真空；双路CCD对准系统能伸入倾斜校准机构内采集压模和基片上对准标记图形的图像，进行对准；紫光照明系统安装于横板上，在需要紫光照射时可通过中空的倾斜校准机构和Z向校准机构，从上向下通过压模照射压印层聚合物，使聚合物固化，从而可实现闪光压印和也可实现加温压印的两种纳米压印功能。

所述的油压顶系统由油压活塞顶杆、油压缸体、活塞环、油压缸压力传感器、油压泵和油罐组成，活塞顶杆的下端活塞位于油压缸体内，并通过活塞环与油压缸体内圆柱面密封，油压缸压力传感器和油压缸压力表均装于油压缸体的缸体下方壁上，油压缸体与油罐之间分别直接连接有油阀和油压泵。

所述的XYθ微动工件台由Y外导轨、底板、XY方导轨、钢球、XY向丝杆、XY向传感器、θ旋转内导轨和X向外导轨、微转动蜗杆、θ旋转外导轨和角度传感器组成，XY方导轨与Y外导轨和X向外导轨处于同一高度，并通过钢球和它们可相对移动，Y外导轨和微转动台外圆导轨连接，X向外导轨和底板连接，底板和油压顶系统的油压活塞顶杆上端面连接，XY方导轨下端面与Y向驱动电机小座连接，和Y向螺母相连的外圆导轨及以上部分可相对XY方导轨移动，恒温板与微转动内导轨蜗轮连接，微转动内导轨蜗轮装于外圆导轨内，可相对于外圆导轨微转动，X向螺母座固定于XY方导轨上，X向丝杆和X向螺母座的螺纹啮合，X向丝杆与X向驱动电机的转轴相连，X向驱动电机通过X向驱动电机小座固定于底板上，X向微动手轮固定于X向驱动电机的转轴上，这样通过微动手轮或驱动电机可使XY方导轨相对于底板作沿着外导轨的方向即X方向移动，而X向位置传感器是固定于X向驱动电机小座上，位置传感器的测头是打在和XY方导轨紧连接的X向螺母座的外端面上，XY方导轨通过Y外导轨传递使和Y外导轨连接的微转动台外圆导轨以及上面部分，沿着外导轨的方向即X向移动，具有结构基本相同另一维导轨同理，θ微转动台蜗杆座与外圆导轨相连接，微转动蜗杆装于蜗杆座内并与内导轨蜗轮啮合，微转动蜗杆和微转动电机、微转动手轮、微转动传感器均同轴，电机和手轮的转动可使内导轨蜗轮相对于外圆导轨作转动。

所述的承片加热台由恒温板、隔热板、承片吸板、加热管和温度传感器组成，承片吸板位于恒温板上方，中间由隔热板隔开连接，恒温板位于最下面，与XYθ微动工件台的上表面连接，温度传感器装在承片吸板内，在承片吸板内还开通有冷却水管，开通恒温水泵(见图1)可将恒温水通入恒温板的恒温水管道中使恒温板能保持恒定温度，承片吸板中的加热管通电可使承片吸板加热，开通有冷却水管的冷却水可使承片吸板降温，温度传感器将承片吸板被加热和冷却的温度信号送出。

所述的双路CCD对准系统由显微物镜、半透半反镜、照明光纤、CCD摄像头、XZ移动导轨机构组成，它通过X向Z向导轨机构和小底板固定于后板上，它的物镜通过镜筒伸入到倾斜校准机构内，照明光纤照明位于物镜的上方，照明光纤通过半透半反镜将压模和基片上对准标记图形进行照明，并通过物镜把图像成像于CCD接收面上，两显微物镜头可通过Z向直线导轨机构让物镜双双上移，并可通过X向导轨机构各自向正负方向外移到视场外和再返回。

所述的倾斜校准机构固定于Z向校准机构的下面，它由上中下V型圆弧导轨、上下连接件、限位外套、拉簧、压模卡盘和密封轮胎形圆环气管组成，上连接套上端与上面Z向校准机构的下连接板连接，其下端面与上V型圆弧导轨连接，上中下3个V型圆弧导轨靠拉簧拉紧连接，组成的两个方向圆弧导轨旋转运动圆心都位于压模下表面的中心O₁。

所述的Z向校准机构固定于横板下面，由内外弹性校准板、定向柱、座板和下连接板组成，外弹性校准板是由在外圆环的三个支脚安装于与横板连接的座板下面，其内圆环下面与下连接板连接，并在内外圆环之间开有三个长圆弧槽，使内外圆环连接也是三个支点，且该三个支点与在外圆环上的三个支脚相差120°。内弹性校准板安装于外弹性校准板内，具有与外弹性校准板相同原理的结构，并在内圆环支点处有三个等高均布的小凸台，三个Z向定向柱以均匀分布紧安装于中空的座板环带上，从和内外弹性校准板与下连接板动配合的滑动孔中穿过。

所述的紫光照明系统安装于横板上，它主要由聚光镜、反射镜架、反射镜、场镜、组合镜架、蝇眼积分透镜、外壳、紫外滤光片、准直物镜、快门、光栏、冷光反射镜、椭球反射镜、高压汞灯、抽风机、抽风管和光强探测器组成，放于椭球反射镜前焦点的高压汞灯发出的紫光通过椭球反射镜反射，使紫光会聚于椭球反射镜的后焦点上，中间还通过朝水平反射45°放置的冷光反射镜、之后水平立放了光栏、快门和准直物镜、紫外滤光片、蝇眼积分透镜、场镜、朝下反射45°放置的反射镜、垂直光轴放置朝下聚光的聚光镜，抽风机装于抽风管上。

所述的电气控制系统由包括计算机、总线接口、压印控制系统、对准电路、XYθ台测量驱动控制电路、恒光强控制电路、恒光强和积分快门及电磁阀驱动电路，以及压印温度控制系统组成，在按指定的闪光方式压印时，CCD图像对准系统将采集的压模和基片的对准标记图像信息送到计算机，计算出的两路不对准量再送到微动工件台控制驱动到对准位，压印控制系统接收已对准信号和位置传感信号，控制压印，再给恒光强和积分快门驱动控制打开和关闭快门，以及脱模。在按指定的加热方式压印时，同样CCD图像对准系统将采集的压模和基片的对准标记图像信息送到计算机，计算出两路不对准量再送到微动工件台控制驱动到对准位，压印控制系统接收已对准信号和位置传感信号，并根据压印温度控制系统从温度传感器采集的温度信号，由计算机发出接通或关闭加热及冷却，控制压印和脱模。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明尽管也必需先用电子束光刻机制作出压模，但是只要作出了模板，便可以廉价地复制出大量纳米结构，研究人员可以根据要求制作结构面积大小，任意选用一种压印方法压印，可通过反复试验来研究纳米器件，而不必担心制备费用高的问题；

(2)研究人员根据压印需要，任意选用的其中一种压印方式压印，不需更换设备中的任何组件或部件，操作非常简便；

(3)在选择闪光压印方式时，它同样不用加热后再冷却的方法使聚合物固化，而是在室温下用紫外光照射使其固化，也不用高压，因此压模材料不必具有大压缩强度、大抗拉伸强度、高热导率和低膨胀系数等要求；

(4)由于Z向校准采用双弹性校准，适用两种方法压印，对每种方法压印Z向校准都很可靠；

(5)由于本发明采用双路CCD图像精密对准系统进行图形的对准，套印精度已作得很高，达到百纳米级，因此该装置的适应性和实用性都很强，同时也提高了制作和生产效率，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构侧视图；

图3为本发明的油压顶系统的结构示意图；

图4为本发明的XYθ微动工件台的结构图；

图5为本发明的XYθ微动工件台结构的侧视图；

图6为本发明的承片加热台结构图；

图7为本发明的双路CCD对准系统结构图；

图8为本发明的倾斜校准机构结构图；

图9为本发明压印密闭区结构放大图；

图10为本发明Z向校准机构结构图；

图11为本发明Z向校准机构结构的GG剖面图；

图12为本发明紫光均匀照明系统结构图；

图13为本发明控制系统框图；

图14为本发明软件流程原理框图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明实施例由双路CCD对准系统1、横板2、Z向校正器3、紫光照明系统4、左侧板5、右侧板17、后板18、油压顶系统6、Z向直线导轨机构7、计算机系统8、机台柜9、主机大底板11、XYθ微动工件台12、承片加热台13、基片14、压模15、倾斜校准机构16和控制系统20等部分组成。主机大底板11通过隔振垫10安置于机台柜9的台面上，机台柜9中放置的电气控制系统20有压印控制201、CCD图像与A/D转换电路202、XYθ微动工件台12的测量驱动控制电路203、恒光强与积分快门控制及电磁阀驱动206、压印温度控制207等，主机大底板11的左右及后面位置上安装了左侧板5、右侧板17和后板18，在它们的上面安装了横板2，构成了牢固的框架。

在大底板11的左右侧板中间安装了油压顶系统6、可使安于上面的XYθ微动工件台12和基片14上升，使基片14与压模15压紧而压印出纳米结构图形，在油压顶系统6的左右两侧与左右侧板之间安装了Z向左右两组直线导轨机构7，用于油压顶杆601的上下导向，在油压顶系统6的上面安装了XYθ微动工件台12，用于基片14的移动和对准时的调整，在工件台12的上面还安装了承片加热台13，在承片吸板1304上可吸附基片14，当基片14需要升温时承片吸板1304可被加热升温。

在横板2的下面和基片14的正上方悬挂有中空的倾斜校准机构16和Z向校正机构3，可校准压模15和基片14压紧时它们之间的不平行，以及Z向压印偏差，在该机构的下面安有压模卡盘1611和压模15。

双路CCD对准系统1能伸入倾斜校准机构16内采集压模15和基片14上对准标记图形的图像，由计算出的不对准量，控制调整或手动调整基片14的位置达到两对准标记图形的对准。紫光照明系统4安装于横板2上，在需要紫光照射时可通过中空的倾斜校准机构16，从上向下通过压模15照射压模15和基片14之间已被压成图形结构的聚合物，使聚合物固化。

如图1、2、3所示，油压顶系统6由油压活塞顶杆601、油压缸体602、油压缸压力表603、油压缸压力传感器604、油压泵605、油罐607和油608组成，活塞顶杆601的下端活塞位于油压缸体602内，并通过活塞环609与油压缸体602密封，油压缸体602与油罐607之间分别直接连接有油阀606和油压泵605，油608的泵入能推动活塞顶杆601上升，油压缸压力传感器604和油压缸压力表603均装于油压缸体602的缸体下方壁上，能测油体608的压力，缸内油608可通过油压泵605和油阀606控制泵入或流出到油罐607。油顶系统6根据操作者预置的压印需要的压力，在要求进行压印后，计算机采集油压顶系统油压缸压力传感器604的压力信号并作折合，控制起动高压油压泵605工作，不断向油压缸体602中泵入油体608，使油压活塞顶杆601上升，当压模15和基片14之间已被逐渐压上，油压缸压力继续不断上升，直至计算机采集的油压缸压力传感器604的实际值达到操作者预置的折合要求，计算机自动控制关闭油压泵605工作，在此同时，计算机还不断采集Z向位置测量传感器704位置数据进行压印的辅助控制。反之不需压力时，计算机控制电磁阀打开油阀606，油压活塞顶杆601连同上面的XYθ微动工件台12和基片14随自重下落，油608流出油压缸体602到油罐607，使压印脱模。压力表603用于目视观察监视用。

如图1、2、3所示，油压顶系统6由于向油压缸体602内泵油使油压活塞顶杆601上升，油压活塞顶杆601上升是沿着左右Z向两组直线导轨机构7作上下移动的。直线导轨机构7由与油压活塞顶杆601紧连接的二根内导轨道701、钢球702、固定在左右左侧板上的二根外导轨703和位置测量传感器704组成，当内导轨道701随着油压顶系统6的油压活塞顶杆601上升和下降时，位置测量传感器704向计算机8送出基片14的Z向的不同位置，用于压印压力超差的辅助控制。由于Z向导轨的作用，基片14只能上下平动，不会有转动。

如图1、2、4、5所示，XYθ微动工件台12由Y外导轨1201、钢球1202、底板1203、XY方导轨1204、X向螺母座1205、X向丝杆1206、X向驱动电机小座1207、X向驱动电机1208、X向微动手轮1209、X向位置传感器1210、θ微转动台蜗杆座1211、微转动蜗杆1212、微转动电机1213、微转动手轮1214、微转动传感器1215、恒温板1216、恒温水管道1217、微转动内导轨蜗轮1218、钢球1219、外圆导轨1220、X向外导轨1221、Y向螺母1222、Y向位置传感器1223、Y向丝杆1224、Y向驱动电机小座1225、Y向驱动电机1226和Y向微动手轮1227组成，XY方导轨1204与Y外导轨1201和X向外导轨1221处于同一高度，Y外导轨1201和微转动台外圆导轨1220连接，因此XY方导轨1204可分别相对于Y外导轨1201和X向外导轨1221滑动，XY方导轨1204下面与Y向驱动电机小座1225连接，Y向螺母1222可相对XY方导轨1204移动，恒温板1216与微转动内导轨蜗轮1218连接，微转动内导轨蜗轮1218装于外圆导轨1220内，可相对于外圆导轨1220微转动，X向外导轨1221与底板1203连接，X向螺母座1205固定于XY方导轨1204上，X向丝杆1206和X向螺母座1205的螺纹啮合，X向丝杆1206与X向驱动电机1208的转轴相连，X向驱动电机1208通过X向驱动电机小座1207固定于底板1203上，X向微动手轮1209固定于X向驱动电机1208的转轴上，这样通过微动手轮1209或驱动电机1208可使XY方导轨1204相对于底板1203作沿着X向外导轨1221的方向即X方向移动，而X向位置传感器1210是固定于X向驱动电机小座1207上，电机小座1207是不动的，而位置传感器1210的测头是打在和XY方导轨1204紧连接的X向螺母座1205的外端面上，所以它能提供了XY方导轨1204相对于底板1203的位置移动传感，XY方导轨1204在X向外导轨1221内，并通过Y外导轨1201传递，使和Y外导轨1201连接的微转动台外圆导轨1220，以及上面部分，沿着X向外导轨1221方向移动，同理Y向驱动电机1226和Y向微动手轮1227的转动，可通过Y向丝杆1224、Y向螺母1222、Y向位置传感器1223、Y向驱动电机小座1225驱动外圆导轨1220及以上部分，使相对于XY方导轨1204，沿着Y外导轨1201的方向作Y向移动，并提供位移信息，θ微转动台蜗杆座1211与外圆导轨1220相连接，微转动蜗杆1212装于蜗杆座1211内并与内导轨蜗轮1218啮合，微转动蜗杆1212和微转动电机1213、微转动手轮1214、微转动传感器1215均同轴，电机1213和手轮1214的转动可使内导轨蜗轮1218相对于外圆导轨1220作转动，传感器1215也可给出微转动的信息，因此XYθ微动工件台12可通与恒温板1216相连的承片加热台13给基片14提供XY微精密移动和θ微转动和运动信息，实现基片14与压模15的对准调整。

如图1、6所示，承片加热台13，它由恒温板1301、位于恒温板内的恒温水管道1302、隔热板1303、承片吸板1304、位于承片吸板内的冷却水管1305、温度传感器1306和加热管1307组成，承片吸板1304位于恒温板1301上方，中间由隔热板1303隔开，恒温板1301位于最下面，与XYθ微动工件台12的上表面连接，开通恒温水泵1308(见图1)可将恒温水通入恒温板1301的恒温水管道1302中使恒温板1301能保持恒定温度，也使承片吸板1304加热时的热量不会传入下面的XYθ微动工件台12，承片吸板1304中的加热管1307通电可使承片吸板1304加热，温度传感器1306将承片吸板1304被加热的温度信号送入计算机8，计算机8根据操作者预置的加热温度控制加热管1307电源开关，使承片吸板1304达到预定的温度，从而也使被压印的聚合物达到压印固化温度。需要降温脱模时，可接通冷却水泵1309使位于承片吸板1304中的冷却水管1305通冷却水，在承片吸板1304降温的同时也使基片的被压的聚合物降温，达到降温脱模的要求。

如图1、2、7所示，固定于后板18上方并伸向倾斜校准机构16内部的双路CCD对准系统1主要由显微物镜101、后组物镜110、半透半反镜114、照明光纤109、聚光镜112、反射镜113、CCD摄像头108、由能沿X正负方向移动的内导轨107和外导轨106组成的X向直线移动机构、由能沿Z上下移动的内导轨104和外导轨105组成的Z向直线移动机构、及小底板103和小弯板102组成，双路CCD对准系统1通过CCD摄像头108、X向Z向导轨机构和小底板103固定于后板18上，它的物镜通过镜筒115伸入倾斜校准机构16内，在照明光纤109的照明下，将压模15和基片14上对准标记图形的图像成像于CCD接收面上，并将图像转换为数字图像，由计算机计算出不对准量，显示于监视器116上(见图2)，控制调整或手动调整XYθ微动工件台12使基片14作X、Y和θ位置移动，达到基片14和压模15的精密对准。当需进行闪光压印时，两显微物镜头101会挡住紫光对压印层聚合物的照射，需通过Z向直线导轨机构让物镜双双上移，并通过X向导轨机构各自向正负方向外移到视场外，等到照射后再返回。

如图1、8所示，倾斜校准机构16主要由上连接套1601、限位外套1602、8个拉簧挂钩1603、上V型圆弧导轨1604、4个拉簧1605、中V型圆弧导轨1606、钢球1607、下V型圆弧导轨1608、压模卡盘1609、密封轮胎形圆环气管1611、隔热片1612和压圈1614组成，上连接套1601上端与上面Z向校准机构3的下连接板305连接，其下端面与上V型圆弧导轨1604连接，上V型圆弧导轨1604通过钢球1607与中V型圆弧导轨1606及下V型圆弧导轨1608连接，上V型圆弧导轨1604与中V型圆弧导轨1606组成的圆弧导轨和中V型圆弧导轨1606与下V型圆弧导轨1608组成的圆弧导轨的旋转运动圆心都位于压模15下表面的中心O₁，前者组成的圆弧导轨使压模15绕通过O₁平行于X轴的轴线转动，后者组成的圆弧导轨使绕通过O₁平行于Y轴的轴线转动，4个拉簧1605分别借助于固定在上V型圆弧导轨1604和下V型圆弧导轨1608上的8个拉簧挂钩1603将上中下三个V型圆弧导轨紧紧连在一起，因此当基片14和压模15由于不平行，下压某处先接触产生一转动力矩时，即压模15可沿上面所述的V型圆弧导轨绕XY两个轴线旋转校准其倾斜，达到压模15和基片14的完全平行贴合，下压后旋转中心都在压模15下表面的中心点O₁，所以压制的图形不产生不对准偏离。限位外套1602对上中下V型圆弧导轨起四周限位作用。

如图1、2、9所示，压模卡盘1609除真空精密装夹好压模15外，还由压模卡盘1609、密封轮胎形圆环气管1611、真空环道1613和压圈1614及承片吸板1304组成使压印层处于低真空的压印层密闭区。密封轮胎形圆环气管1611是一耐高温密封轮胎形圆环真空橡皮气管，在基片14与压模15距离很近并进行对准后，密封轮胎形圆环气管1611的进气管1615通压力空气，使其膨胀向下凸出，由于它的下方是承片吸板1304的光滑大平面，随着压力空气的增大使密封轮胎形圆环气管1611把基片14与压模15及压印层和外界分隔开，组成一密闭气室，在真空环道1613接通真空后，基片14与压模15及它们之间的聚合物则都在真空状态下，此时再下压压印纳米图形，被压印的聚合物和模腔中就不会有残留气泡，以至造成纳米图形结构的缺陷。

如图1、10、11所示，Z向校准机构结构3主要由中空的外弹性校准板301、中空的内弹性校准板302、Z向定向柱303、中空的座板304和中空的下连接板305组成，三个Z向定向柱303以均匀分布紧安装于中空的座板304环带上，从和内外弹性校准板与下连接板305动配合的滑动孔中穿过，它们可沿着定向柱作Z向移动，外弹性校准板301是由在外圆环沿半径方向均匀分布的三个支脚刚好安装于与横板2连接的座板304下面沿半径方向均匀分布的三个凹槽内的弹性板，它的内圆环与下面和倾斜校准机构16连接的下连接板305连接，在它的外圆环与内圆环之间开通有从外圆环三个支脚起正负50°长圆弧槽，正好内圆环和外圆环连接也是三个均布的支点，且该三个支点与在外圆环上的三个支脚相差120°，当下连接板305通过倾斜校准机构16传递受基片14对压模15的压紧力时，外弹性校准板301的内圆环就向上被压缩，其弹性刚度大小由外圆环薄片的厚度、宽度和本身的材料性质决定。内弹性校准板302安装于外弹性校准板301内，内弹性校准板302具有与外弹性校准板301一样的结构，位于外圆环上的三个支脚也同样安装于座板304沿半径方向均匀分布的三个凹槽内，有一点不同是在对应外弹性校准板301内圆环支点处的内圆环上有三个等高均布的小凸台3021，在不压紧状态下相距1.5-2.5mm，内弹性校准板302的外圆环薄片厚度和宽度均大于外弹性校准板301的外圆环薄片厚度和宽度，因此内弹性校准板302的弹性刚度也大于外弹性校准板301的弹性刚度，当外弹性校准板301的内圆环受下面下连接板305传来的压力就压缩向上移动，在压力增大到一定时，外弹性校准板301的内圆环被压缩上移与内弹性校准板302内圆环上的三个小凸台3021接触，在压力进一步增大时，外内弹性校准板同时被压缩，此时弹性刚度很大，正适合加温压印方式时的Z向校准，由于采用了这双弹性校准，使Z向校准都能满足两种压印方式校准，并且可靠。这里外弹性校准板301的变形量控制在1(m-5mm，变形力控制在0.01-3bar内，内弹性校准板302的变形量控制在1μm-3mm，变形力控制在30-100bar内。

如图1、12所示，紫光均匀照明系统4主要由聚光镜401、反射镜架402、反射镜403、场镜404、组合镜架405、蝇眼积分透镜406、外壳407、紫外滤光片408、准直物镜409、快门410、光栏411、冷光反射镜架420、冷光反射镜419、椭球反射镜416、高压汞灯417、灯室412、汞灯调整架413、抽风机414、抽风管415和光强探测器421组成，放于椭球反射镜416前焦点F1的高压汞灯417发出的紫光通过大包容角的椭球反射镜416反射，能使短波波段大包容角的紫光会聚于椭球反射镜416的后焦点F2上，并通过冷光反射镜419反射、光栏411、快门410和准直物镜409的准直，再通过紫外滤光片408将非紫光滤去，使紫光投射到蝇眼积分透镜406前端面处，蝇眼积分透镜406将紫光分割成几十个小紫光源，从后端面射出，再通过场镜404、反射镜403和聚光镜401叠加成均匀分布的紫光均匀照射到压模15和基片14之间的压印层上。抽风机414能通过抽风管415将高压汞灯417点燃后工作时产生的废气和热量带出到室外。光强探测器421测出的光强信号送入恒光强控制系统，作恒光强控制用。该照明系统除光能利用率和光强度都很高以外，还具有多点匀光照明，并且光学系统也是用科勒照明原理，所以照明均匀性特别好。因蝇眼积分透镜406的前端起逐一分割不均匀的光强分布作用，将光分布不均匀的较大面积分割成小面积的单元光能分布，蝇眼积分透镜406的后端起逐一将所分割的单元光能分布放大并投射叠加于被照明面上，这样实际上是由数十个科勒照明系统构成的一个非共轴阵列组合的均匀照明光学系统，本系统照明均匀性可达到±2％以上。

如图1、13所示，机台柜9中的电气控制系统20由包括计算机8、总线接口204、包括压印Z向位置传感2011、压力传感2012和油泵驱动2013的压印控制系统201、包括CCD图像2021的A/D转换对准电路202、包括XYθ位置传感2031和XYθ驱动电机2032的XYθ工件台测量驱动控制电路203、包括光强探测2051的光强控制电路205、包括HG灯2061和快门2062的恒光强和积分快门及电磁阀驱动电路206，以及包括温度传感2071和加热或通冷却水2072的压印温度控制系统207组成。压印控制系统201根据计算机8通过总线接口204送来的压力传感信号2012，驱动和控制油泵2013工作，按指定的方式压印，送来的位置传感信号2011再加公差量可作为压印的限位信号，完成压印和脱模等动作。CCD图像对准系统202根据采集压模15和基片14的对准标记图像信息，由计算机8处理计算出两路不对准量，由XYθ微动工件台控制驱动电机2032或手动驱动对准到达精密对准位。XYθ微动工件台系统根据计算机8通过总线接口204送来的位置信号2031驱动电机2032到达各精密位置并锁定。恒光强和积分快门驱动控制电路206根据计算机8通过总线接口204送来的信号对HG灯进行恒光强控制，并进行快门与其它多处压力空气和真空电磁阀的开关控制。不采用闪光压印方式时，压印温度控制系统207根据温度传感器1306采集送来的温度信号2071，由计算机8发出指令接通加热管1307电源开关进行加热或关闭加热管1307电源开关同时接通冷却水泵1309，使承片吸板1304中冷却水管1305通冷却水，使被压的聚合物降温，达到降温固化脱模的要求。

如图14所示，控制系统20的软件流程是先由操作者预置参数，装压模15和已涂聚合物的基片14，压印机各部自检，对压印方式是闪光压印还是加热压印进行选择，当选择闪光压印时，压模15或基片14下落相互靠近到对准位，进行双路CCD对准，对准后对压模15和基片14之间的压印密闭区开真空使压印层与压模之间达到真空，然后驱动压印并进行紫光照射，再减除压印层真空通大气，压模15和基片14分离脱模，结束压印。当选择加温压印时，压模15或基片14也下落相互靠近到对准位进行双路CCD对准，对准后对压模15和基片14之间的压印密闭区开真空，使压印层达到真空，然后加热基片14和压印层同时驱动压印，再持续加热并保持温度，再降温减除压印层真空通大气，压模15和基片14分离脱模，压印结束。

本发明的工作原理与操作步骤是：首先是开机，人工装上压模15，再开压模卡盘1609真空吸住压模15，然后人工上基片14，再开基片承片吸板1304真空吸住基片14，然后再选择压印方式，是闪光压印还是加温压印，当选择闪光压印时，控制压模15下落靠近基片14到达对准位置，再进行双路CCD对准，完成双路对准后，移动双路CCD对准系统10离开，打开使压模15和基片14之间的压印密闭区达到真空，再控制驱动压印，使压模再下压到压印位，开起紫外灯对压印层进行紫光照射，到一定时间后停止照射，关去压印区真空并通大气，再控制压模15上升使其脱模，此时闪光压印方式压印结束。当选择加温压印时，同样控制压模15下落靠近基片14到达对准位置，进行双路CCD对准，完成双路对准后，打开使压模15和基片14之间的压印密闭区达到真空，同时控制开启电源，点然加热管1307使承片吸板1304升温，同时也使硅片上的被压聚合物升温，压印温度控制系统207根据温度传感器1306采集送来的到达压印温度信号，控制压模15下压进行压印，压印后控制接通冷却水使承片吸板降温，同时也使被压的聚合物降温，达到降温固化脱模要求，再控制压模15上升使其脱模，此时加温压印方式的压印也结束。

Claims (9)

1、加温闪光两用纳米压印装置，其特征在于：它由双路CCD对准系统(1)、横板(2)、Z向校准机构(3)、紫光照明系统(4)、主机大底板(11)、油压顶系统(6)、承片加热台(13)、倾斜校准机构(16)和控制系统(20)组成，主机大底板(11)安置于内放控制系统(20)的机台柜(9)上，在主机大底板(11)的左面上安装了左侧板(5)、右面上安装了右侧板(17)和后面上安装了后板(18)，又在它们的上面安装了横板(2)；在主机大底板(11)的左右侧板中间安装了油压顶系统(6)，用于使安装于上面的XYθ微动工件台(12)和基片(14)上升压紧压模(15)而压出纳米结构图形，在油压顶系统(6)的左右两侧安装了Z向直线导轨机构(7)，用于油压顶系统(6)上下导向，在油压顶系统(6)的上面安装了XYθ微动工件台(12)；在XYθ微动工件台(12)的上面还安装了承片加热台(13)，可吸附基片(14)，在横板(2)的下面和基片(14)的正上方悬挂装有倾斜校准机构(16)和Z向校准机构(3)；在倾斜校准机构(16)的下面安有压模(15)，压模(15)与基片(14)之间的压印密闭区可抽真空，双路CCD对准系统(1)能伸入倾斜校准机构(16)内采集压模(15)和基片(14)上对准标记图形的图像；紫光照明系统(4)安装于横板(2)上，在需要紫光照射时可通过中空的倾斜校准机构(16)和Z向校准机构(3)，从上向下通过压模(15)照射压印层聚合物，使聚合物固化，从而可实现闪光压印，也可实现加温压印的两种纳米压印功能。

2、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征在于：所述的油压顶系统(6)由油压活塞顶杆(601)、油压缸体(602)、油压缸压力表(603)、油压缸压力传感器(604)、油压泵(605)、油阀(606)、油罐(607)、活塞环(609)和油体(608)组成，油压活塞顶杆(601)的下端活塞位于油压缸体(602)内，并通过活塞环(609)与油压缸体(602)内圆柱面密封，油压缸压力传感器(604)和油压缸压力表(603)均装于油压缸体(602)的缸体下方壁上，油压缸体(602)与油罐(607)之间分别直接连接有油阀(606)和油压泵(605)。

3、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征还在于：所述的XYθ微动工件台(12)由Y外导轨(1201)、第一钢球(1202)、底板(1203)、XY方导轨(1204)、X向螺母座(1205)、X向丝杆(1206)、X向驱动电机小座(1207)、X向驱动电机(1208)、X向微动手轮(1209)、X向位置传感器(1210)、θ微转动台蜗杆座(1211)、微转动蜗杆(1212)、微转动电机(1213)、微转动手轮(1214)、微转动传感器(1215)、恒温板(1216)、恒温水管道(1217)、微转动内导轨蜗轮(1218)、第二钢球(1219)、外圆导轨(1220)、X向外导轨(1221)、Y向螺母(1222)、Y向位置传感器(1223)、Y向丝杆(1224)、Y向驱动电机小座(1225)、Y向驱动电机(1226)和Y向微动手轮(1227)组成，XY方导轨(1204)与Y外导轨(1201)和X向外导轨(1221)处于同一高度，并通过第一钢球和它们可相对移动，Y外导轨(1201)和微转动台外圆导轨(1220)连接，X向外导轨(1221)和底板(1203)连接，底板(1203)和油压顶系统的油压活塞顶杆(601)上端面连接，XY方导轨(1204)下端面与Y向驱动电机小座(1225)连接，和Y向螺母(1222)相连的外圆导轨(1220)及微转动内导轨蜗轮(1218)可相对XY方导轨(1204)移动，恒温板(1216)与微转动内导轨蜗轮(1218)连接，微转动内导轨蜗轮(1218)装于外圆导轨(1220)内，可相对于外圆导轨(1220)微转动，X向螺母座(1205)固定于XY方导轨(1204)上，X向丝杆(1206)和X向螺母座(1205)的螺纹啮合，X向丝杆(1206)与X向驱动电机(1208)的转轴相连，X向驱动电机(1208)通过X向驱动电机小座(1207)固定于底板(1203)上，X向微动手轮(1209)固定于X向驱动电机(1208)的转轴上，这样通过X向微动手轮(1209)或X向驱动电机(1208)可使XY方导轨(1204)相对于底板(1203)作沿着X向外导轨(1221)的方向即X方向移动，而X向位置传感器(1210)是固定于X向驱动电机小座(1207)上，X向位置传感器(1210)的测头是打在和XY方导轨(1204)紧连接的X向螺母座(1205)的外端面上，XY方导轨(1204)通过Y外导轨(1201)传递使和Y外导轨(1201)连接的微转动台外圆导轨(1220)及微转动内导轨蜗轮(1218)，沿着X向外导轨(1221)的方向即X向移动，具有结构基本相同另一维导轨同理，θ微转动台蜗杆座(1211)与外圆导轨(1220)相连接，微转动蜗杆(1212)装于θ微转动台蜗杆座(1211)内并与微转动内导轨蜗轮(1218)啮合，微转动蜗杆(1212)和微转动电机(1213)、微转动手轮(1214)、微转动传感器(1215)均同轴，微转动电机(1213)和微转动手轮(1214)的转动可使微转动内导轨蜗轮(1218)相对于外圆导轨(1220)作转动，微转动传感器(1215)可给出微转动的信息。

4、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征还在于：所述的承片加热台(13)由恒温板(1301)、隔热板(1303)、承片吸板(1304)、加热管(1307)和温度传感器(1306)组成，承片吸板(1304)位于恒温板(1301)上方，中间由隔热板(1303)隔开连接，恒温板(1301)位于最下面，与XYθ微动工件台(12)的上表面连接，温度传感器(1306)装在承片吸板(1304)内，在承片吸板(1304)内还开通有冷却水管(1305)，开通恒温水泵(1308)可将恒温水通入恒温板(1301)的恒温水管道(1302)中使恒温板(1301)能保持恒定温度，承片吸板(1304)中的加热管(1307)通电可使承片吸板(1304)加热，开通有冷却水管(1305)的冷却水可使承片吸板(1304)降温，温度传感器(1306)将承片吸板(1304)被加热和冷却的温度信号送出。

5、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征还在于：所述的双路CCD对准系统(1)由显微物镜(101)、半透半反镜(114)、照明光纤(109)、CCD摄像头(108)、XZ移动导轨机构组成，它通过X向Z向导轨机构和小底板(103)固定于后板(18)上，它的物镜通过镜筒(115)伸入到倾斜校准机构(16)内，照明光纤照明位于物镜的上方，照明光纤通过半透半反镜(114)将压模(15)和基片(14)上对准标记图形进行照明，并通过物镜把图像成像于CCD接收面上，两显微物镜(101)可通过Z向直线导轨机构让物镜双双上移，并可通过X向导轨机构各自向正负方向外移到视场外和再返回。

6、根据权利要求1所述的加温闪光两周纳米压印装置，其特征还在于：所述的倾斜校准机构(16)主要由上中下V型圆弧导轨、上下连接件、限位外套(1602)、拉簧(1605)、压模卡盘(1609)、密封轮胎形圆环气管(1611)组成，上连接套(1601)上端与上面Z向校准机构(3)的下连接板(305)连接，其下端面与上V型圆弧导轨(1604)连接，上V型圆弧导轨(1604)通过第三钢球(1607)与中V型圆弧导轨(1606)及下V型圆弧导轨(1608)相接，上V型圆弧导轨(1604)与中V型圆弧导轨(1606)组成的圆弧导轨和中V型圆弧导轨(1606)与下V型圆弧导轨(1608)组成的圆弧导轨的旋转运动圆心都位于压模(15)下表面的中心O1，4个拉簧(1605)借助于固定在上V型圆弧导轨(1604)和下V型圆弧导轨(1608)上的8个拉簧挂钩(1603)将上中下三个V型圆弧导轨紧紧连在一起。

7、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征还在于：所述的Z向校准机构(3)由内弹性校准板(302)、外弹性校准板(301)、定向柱(303)、座板(304)和下连接板(305)组成，三个Z向定向柱(303)以均匀分布紧安装于中空的座板(304)环带上，从和内外弹性校准板与下连接板(305)动配合的滑动孔中穿过，外弹性校准板(301)是由在外圆环沿半径方向均匀分布的三个支脚刚好安装于与横板(2)连接的座板(304)下面沿半径方向均匀分布的三个凹槽内的弹性板，它的内圆环与下面和倾斜校准机构(16)连接的下连接板(305)连接，在它的外圆环与内圆环之间开通有从外圆环三个支脚起正负50°长圆弧槽，正好内圆环和外圆环连接也是三个均布的支点，且该三个支点与在外圆环上的三个支脚相差120°；内弹性校准板(302)安装于外弹性校准板(301)内，内弹性校准板(302)具有与外弹性校准板(301)一样的结构，位于外圆环上的三个支脚也同样安装于座板(304)沿半径方向均匀分布的三个凹槽内，有一点不同是在对应外弹性校准板(301)内圆环支点处的内圆环上有三个等高均布的小凸台(3021)，在不压紧状态下相距1.5-2.5mm，内弹性校准板(302)的外圆环薄片厚度大于外弹性校准板(301)的外圆环薄片厚度、外圆环薄片宽度大于外弹性校准板(301)的外圆环薄片宽度，当外弹性校准板(301)的内圆环受下面下连接板(305)传来的压力就压缩向上移动，后和三个小凸台(3021)接触，外、内弹性校准板同时被压缩。

8、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征还在于：紫光照明系统(4)安装于横板(2)上，它主要由聚光镜(401)、反射镜架(402)、反射镜(403)、场镜(404)、组合镜架(405)、蝇眼积分透镜(406)、外壳(407)、紫外滤光片(408)、准直物镜(409)、快门(410)、光栏(411)、冷光反射镜(419)、椭球反射镜(416)、高压汞灯(417)、抽风机(414)、抽风管(415)和光强探测器(421)组成，放于椭球反射镜(416)前焦点的高压汞灯(417)发出的紫光通过椭球反射镜(416)反射，使紫光会聚于椭球反射镜(416)的后焦点上，并通过冷光反射镜(419)反射、光栏(411)、快门(410)和准直物镜(409)的准直，再通过紫外滤光片(408)将非紫光滤去，投射到蝇眼积分透镜(406)前端面处，蝇眼积分透镜(406)将紫光分割成几十个小紫光源，从后端面射出，再通过场镜(404)、反射镜(403)和聚光镜(401)叠加成均匀分布的紫光均匀照射到压模(15)和基片(14)之间的压印层上；抽风机(414)能通过抽风管(415)将高压汞灯(417)点燃后产生的废气和热量带出到室外；该照明系统具有多点匀光照明，并且光学系统也是用科勒照明原理，蝇眼积分透镜(406)的前端起逐一分割不均匀的光强分布作用，将光分布不均匀的较大面积分割成小面积的单元光能分布，蝇眼积分透镜(406)的后端起逐一将所分割的单元光能分布放大并投射叠加于被照明面上，这样实际上是由数十个科勒照明系统构成的一个非共轴阵列组合的均匀照明光学系统。

9、根据权利要求1所述的加温闪光两用纳米压印装置，其特征还在于：机台柜(9)中的控制系统(20)由计算机(8)、总线接口(204)、压印控制系统(201)、对准电路(202)、XYθ台测量驱动控制电路(203)、恒光强控制电路(205)、恒光强和积分快门及电磁阀驱动电路(206)，以及压印温度控制系统(207)组成，压印控制系统(201)根据计算机(8)通过总线接口(204)送来的压力传感信号(2012)，驱动和控制油泵(2013)工作，按指定的方式压印，送来的位置传感信号(2011)再加设定的公差量可作为压印的限位信号，完成压印和脱模动作；对准电路(202)根据采集压模(15)和基片(14)的对准标记图像信息，处理计算出两路不对准量，由XYθ微动工件台(12)移动到达精密对准位；恒光强和积分快门及电磁阀驱动电路(206)对Hg灯(2061)进行恒光强控制，并进行快门与压力空气和真空电磁阀的开关控制；采用加温压印方式时，压印温度控制系统(207)根据温度传感器(1306)采集送来的温度信号(2071)，由计算机(8)发出指令接通加热管(1307)电源开关进行加热或关闭加热管(1307)电源开关同时接通冷却水泵(1309)，使承片吸板(1304)中冷却水管(1305)通冷却水，被压的聚合物降温。

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